CN101055337A - 一种光路折叠式波导光开关阵列及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及信息光电子技术领域，一种光路折叠式波导光开关阵列及其方法。包括：各级2×2光开关单元；各级2×2光开关单元之间的连接光波导；对连接光波导进行90°转折的若干组微型全内反射镜；光开关驱动电极。在工艺上，这种光路折叠式波导光开关阵列由于需要的芯片尺寸比传统的采用S型弯曲波导连接结构的光开关阵列小若干倍，因此对刻蚀波导工艺均匀性的要求大大降低。在光纤耦合封装工艺上，由于光路折叠式波导光开关阵列可以使输入波导和输出波导位于光开关阵列芯片的同一端面，避免了传统光开关阵列芯片双端耦合对准的问题，可以采用同一光纤阵列在光开关阵列芯片同一端进行单端耦合对准，大大降低了耦合难度和耦合成本。
Description
技术领域
本发明涉及信息光电子技术领域，特别是一种可缩短器件尺寸、降低插入损耗以及降低信道串扰的光路折叠式波导光开关阵列及其方法。
背景技术
密集波分复用(DWDM)技术是解决宽带、大容量光纤网络通信的一种有效方法。光开关阵列是构造DWDM系统中光上/下载路(OADM)和光交叉互连(OXC)功能模块的关键部件。由于波导光开关具有响应速度快、低功耗、制作工艺简单、可集成性好、无活动部件可靠性高等优点，而成为光开关阵列的重要发展方向。目前日本NTT公司采用二氧化硅技术的热光开关阵列已经投入商用。SOI(Silicon on Insulator，绝缘衬底上的硅)光开关比二氧化硅光开关具备更快的响应速度潜力、更好的CMOS(互补金属-氧化物-半导体)工艺兼容性和更大的OEIC(光电集成回路)集成性，将成为新一代光开关的首选技术。
一个N×N光开关阵列是由若干个2×2光开关单元通过连接波导连接成矩阵结构而构成的，所以光开关阵列也叫做光开关矩阵。各连接波导和连接波导之间不可避免地存在着波导弯曲和波导交叉。SOI波导光开关由于要实现波导的单模工作，以及较大的波导横截面尺寸而有利于光纤耦合，单模波导的形状采取脊形结构。这样的脊形波导在弯曲半径很小时存在很大的弯曲辐射损耗，采用较大的弯曲半径虽然能降低波导弯曲辐射损耗，但器件长度将大大增加。过于长的光开关芯片首先是不利于加工(因为涉及到大面积波导刻蚀工艺均匀性的问题)，其次是给芯片后续封装带来困难。采用较大的弯曲半径的另一弊端是，较大的弯曲半径波导之间的交叉角很小。而波导之间因交叉引起的信道串扰是随交叉角的减小而迅速增大的。较小弯曲半径的交叉波导虽然可以获得较大的交叉角，但小弯曲波导的弯曲辐射损耗又很严重。由以上分析可知，在采用S形弯曲波导连接光开关阵列的情况下，降低交叉波导的串扰和降低弯曲波导的辐射损耗是一对不可调和的矛盾，在实际制作中只能折中考虑。因此，为了从根本上解决问题，必须设计出一种新的光开光阵列结构。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可缩短器件尺寸、降低插入损耗以及降低信道串扰的新型波导光开关阵列结构设计及其制备方法。其具有大幅度缩短的芯片尺寸、较高的芯片成品率、简单易行的单端光纤耦合工艺步骤、低廉的封装成本。
根据上述目的，提出了一种新型光路折叠式波导光开关阵列，该光开关阵列是在SOI材料或者其它任何具有导波性能的光学材料上用常规CMOS工艺经过光刻、干法/湿法刻蚀、PECVD(等离子增强化学气相沉积)淀积/氧化制膜等工艺步骤制成的。光开关阵列是由若干个2×2光开关单元在芯片上按一定空间位置分级排列组合而成的，各2×2光开关单元之间通过连接波导相互连接。在传统的光开关阵列中，各级2×2光开关单元之间的连接波导通常采用S型弯曲波导，这种S型弯曲波导连接方式的弊端已经在背景技术中阐明。本发明提出的新型光路折叠式波导光开关阵列，是用直波导结合微型全内反射镜技术，通过用微型全内反射镜多次将直波导进行90°转折，实现波导光开关阵列各级光开关单元之间光路的空间反复折叠，以及各交叉波导之间垂直交叉，从而达到缩短波导光开关阵列器件长度，改善波导光开关阵列信道串扰和插入损耗性能的目的。
附图说明
图1是一个传统4×4波导光开关阵列拓扑布局示意图。
图2是本发明的光路折叠式4×4波导光开关阵列拓扑布局示意图。
图3是本发明的光路折叠式波导光开关阵列中起光路折叠作用的微型全内反射镜实际制作器件的顶视图显微镜照片图。
图4是用二维时域有限差分法模拟的微型全内反射镜的光场传输图。
图5是实际制作的光路折叠式4×4波导光开关阵列芯片的局部显微镜照片图。
图6所示为本发明的一个具体实施例的制作工艺流程图。
具体实施方式
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及具体的SOI 4×4波导光开关阵列实施例对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1是为了对比起见而给出的一个传统4×4波导光开关阵列拓扑布局示意图(长宽未按实际比例画出)。图中标有SE的矩形方框表示一个2×2光开关单元，各矩形方框之间的连线表示S形连接波导。一个在硅膜厚度为8微米的SOI衬底材料上实际制作的这样的传统4×4波导光开关阵列芯片，其长度为460mm，宽度为1mm，可见其芯片长宽在比例上极不匀称。光开关各输出信道之间的平均串扰为-15dB左右。
图2是本发明提出的新型光路折叠式4×4波导光开关阵列拓扑布局示意图(长宽未按实际比例画出)。图中标有SE的矩形方框表示一个2×2光开关单元，各矩形方框之间的连线表示连接波导。各连接波导的90°转折是通过微型全内反射镜(TIR Mirror)对光路反射实现的。可以看出，与图1所示传统4×4波导光开关阵列不同的是，各连接波导之间的交叉角均为90°垂直交叉。连接波导的垂直交叉引起的信道串扰要远远小于连接波导小角度交叉引起的信道串扰。一个在硅膜厚度为8微米的SOI衬底材料上实际制作的这样的光路折叠式4×4波导光开关阵列芯片，其各输出信道之间的平均串扰为-30dB左右。同时，各级光开关单元的空间排列也不再象图1所示传统4×4波导光开关阵列那样按左右顺序依次排布，而是通过微型全内反射镜对光路的反射转折，在空间进行多次折叠，使各级光开关单元在横向上对齐排布。这样就改善了光开关阵列芯片在长宽比例上的不匀称度。实际制作的光路折叠式4×4波导光开关阵列芯片，其长度为200mm，宽度为3.2mm。可见芯片长度缩短了一倍以上，这样就可以大大降低芯片制作时对波导刻蚀工艺均匀性的要求，有利于提高芯片制备的成品率。此外，如果对图2所示的光路折叠式4×4波导光开关阵列的输出波导再进行两次90°转折，就可以使光开关阵列的输出波导和输入波导处在芯片的同一侧，这样在进行后续的光纤耦合时就可以实现芯片单端耦合对准，降低了芯片双端耦合对准的工艺难度，有利于降低耦合成本，提高产量。
图3是在本发明提出的新型光路折叠式波导光开关阵列中起光路折叠作用的微型全内反射镜实际制作器件的顶视图显微镜照片(左)和侧视图扫描电子显微镜照片(右)。
图4是用二维时域有限差分法(2D-FDTD)模拟的微型全内反射镜的光场传输情况。这种微型全内反射镜的理论反射率为96％，插入损耗仅为0.18dB。
图5是实际制作的光路折叠式4×4波导光开关阵列芯片的局部显微镜照片。在照片中可以看到微型全内反射镜和垂直交叉的连接光波导。
请参阅图6，图中所示为本发明的一个具体实施例的制作工艺流程。这里是以微型全内反射镜的湿法化学腐蚀制作过程为例，说明光路折叠式4×4波导光开关阵列芯片的制作过程。在实际制作过程中光开关单元(包括连接光波导)和微型全内反射镜是分别用干法刻蚀工艺和湿法化学腐蚀工艺分两步制作的。为了精确控制微型全内反射镜的位置，这里采用了双掩模自对准两步刻蚀工艺，第一步用干法刻蚀工艺制作出各光开关单元和连接波导，第二步用湿法化学腐蚀工艺制作出微型全内反射镜。图6中b-k各图是如a图所示沿M-M′方向截面在不同工艺阶段的示意图。具体工艺步骤如下所述。
首先清洗SOI衬底片(图6b)，然后在1000℃下氧化约250nm的氧化硅掩模(图6c)。沿<110>晶向光刻波导和带有窗口的承载微型全内反射镜刻蚀的三角区。在光刻胶的保护下用HF腐蚀出波导图形后，用丙酮除去光刻胶(图6d)。将带有掩模的SOI片进行干法ICP刻蚀，刻蚀深度为2.2μm(图6e)。刻蚀完毕后，保留第一层氧化硅掩模。再在1000℃下氧化一层约250nm的氧化硅作为制备微型全内反射镜深槽的掩模层(图6f)，光刻出刻蚀窗口，该窗口大于第一层掩模中的窗口(图6g)。利用各向异性湿法腐蚀制作反射镜，由于湿法腐蚀的特点，在腐蚀过程中，镜面会逐渐向设计位置(图6a中的虚线)移动(图6h)，待反射面到达设计位置后停止湿法腐蚀过程(图6i)。然后除去所有掩模(图6j)，再用热氧化工艺制作150nm的氧化硅作为光波导的上包层(图6k)。在氧化硅包层上生长金属Cr/Au层，再光刻制作电极。最后是划片和波导端面抛光。
综上所述，本发明所述的新型光路折叠式波导光开关阵列至少具有以下优点：
1.本发明一种新型光路折叠式波导光开关阵列，其具有比传统波导光开关阵列短的芯片长度。
2.本发明一种新型光路折叠式波导光开关阵列，其各级光开关单元之间的连接波导的交叉均为垂直交叉，从而大大降低了光开关的信道串扰。
3.本发明一种新型光路折叠式波导光开关阵列，由于其具有比传统波导光开关阵列短的芯片长度，因此对大面积波导刻蚀的工艺均匀性要求不高，能够有较高的芯片成品率。
4.本发明一种新型光路折叠式波导光开关阵列，由于其光路可以用微型全内反射镜实现折叠，因此可以使光开关阵列的输出波导和输入波导处在芯片的同一侧，在后续的光纤耦合工艺中可以实现芯片单端耦合对准，比芯片双端耦合具有相对简单的工艺过程，较低的耦合成本和较高的产量。
5.本发明一种新型光路折叠式波导光开关阵列，其制作过程同目前微电子行业通行的标准CMOS工艺完全兼容，因此易于推广。
以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的的限制，凡是依据本发明技术实质(即在光开关阵列芯片上集成微型全内反射镜折叠光路)对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。
Claims (10)
1、一种光路折叠式波导光开关阵列，其特征在于：该波导光开关阵列包括：
各级2×2光开关单元；
各级2×2光开关单元之间的连接光波导；
对连接光波导进行90°转折的若干组微型全内反射镜。
2、根据权利要求1所述的光路折叠式波导光开关阵列，其特征在于：微型全内反射镜和连接波导之间的位置对准既可以通过自对准工艺实现，也可以通过其它变通的工艺手段实现。
3、根据权利要求1所述的光路折叠式波导光开关阵列，其特征在于：所述光开关阵列可以在任何具有导波性能的光学材料上制备。
4、根据权利要求3所述的光路折叠式波导光开关阵列，其特征在于：光学材料是SOI，SiO2，Polymer，GeSi/Si，GaAs，InP，LiNiO3。
5、根据权利要求1所述的光路折叠式波导光开关阵列，其特征在于：其光波导和微型全内反射镜既可以采用干法刻蚀工艺，也可以采用各向异性湿法化学腐蚀工艺，或者是采用干法刻蚀和湿法化学腐蚀相结合的工艺制作。
6、根据权利要求5所述的光路折叠式波导光开关阵列，其特征在于：干法刻蚀工艺是RIE，ICP等离子刻蚀，各向异性湿法化学腐蚀工艺是硅的KOH，EPW溶液腐蚀。
7、根据权利要求1所述的光路折叠式波导光开关阵列，其特征在于：所述光开关阵列的驱动方式既可以是热光驱动，也可以是电光驱动。
8、根据权利要求1所述的光路折叠式波导光开关阵列，其特征在于：输出波导和输入波导既可以位于光开关阵列芯片的两侧，也可以用微型全内反射镜对光路进行折叠，使输出波导和输入波导位于光开关阵列芯片的同一侧。
9、根据权利要求1所述的光路折叠式波导光开关阵列，其特征在于：光开关阵列可以具有任意网络拓扑结构，光开关的连通特性既可以是阻塞型的，也可以是完全无阻塞型或者重排无阻塞型的。
10、一种光路折叠式波导光开关阵列的制备方法，其步骤如下：
首先清洗SOI衬底片，然后在1000℃下氧化约250nm的氧化硅掩模，沿<110>晶向光刻波导和带有窗口的承载微型全内反射镜刻蚀的三角区，在光刻胶的保护下用HF腐蚀出波导图形后，用丙酮除去光刻胶，将带有掩模的SOI片进行干法ICP刻蚀，刻蚀深度为2.2μm，刻蚀完毕后，保留第一层氧化硅掩模，再在1000℃下氧化一层约250nm的氧化硅作为制备微型全内反射镜深槽的掩模层，光刻出刻蚀窗口，该窗口大于第一层掩模中的窗口，利用各向异性湿法腐蚀制作反射镜，由于湿法腐蚀的特点，在腐蚀过程中，镜面会逐渐向设计位置移动，待反射面到达设计位置后停止湿法腐蚀过程，然后除去所有掩模，再用热氧化工艺制作150nm的氧化硅作为光波导的上包层，在氧化硅包层上生长金属Cr/Au层，再光刻制作电极，最后是划片和波导端面抛光。
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|---|---|---|---|---|
| CN103597386A (zh) * | 2011-04-01 | 2014-02-19 | 英特尔公司 | 光波导结构 |
| CN105891950A (zh) * | 2016-06-24 | 2016-08-24 | 福州大学 | 一种基于微型环形谐振腔的涡旋可控光发射器 |
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